木材构造图案的美学法则研究及其包装仿生设计

古希腊时期,学者们就提出了美的形式法则理论。从美学学科的产生与发展来看，18世纪Baumgarten创立了独立的美学学科，是近代科学发展的产物。从精神角度来看，柏拉图觉得美的本质就是美的理式，黑格尔认为美是理念的感性显现。从客观物质属性来看，亚里士多德认为，美在事物本身，体现在事物的“秩序、匀称与明确”的形式中，主要依靠事物的“体积与安排”，突显事物的“整一性”。达•芬奇认为美是可以用感官认识到事物的性质。我国孔子认为美学思想与儒家的“中庸之道”的哲学思想一脉相承，其核心是“和谐为美”。凡是客观存在的事物，都离不开形式，事物的变化、相互作用都是在形式中展开的。形式分为事物的内在内容和外显方式两种属性。木材的自然美就是通过木材宏、微观构造表征的具体形式呈现出来的。

1　国内外研究现状

20世纪初,美、德等国家就已经展开有关木材方面的研究。1934年美国出版的《木材学教科书》、1936年德国出版的《木材技术》、1978年日本出版的《木材应用基础》[1-4]等等。我国木材研究鼻祖著名木材解剖学家唐耀先生[5]于1936年12月发表文章《中国木材学》，为中国打开了“木研究”的大门。随后,我国学者对天然林、人工林树种进行木材解剖，在木材的构造、材性、加工性和利用性等物质属性方面做出了大量深入研究。木材不仅具有作为木质材料的实用价值，还有美学价值。广西大学罗建举教授从木材宏观、微观两个维度探讨木材美学的研究内容和方法[5]，系统地提出了“木材美学”理论，以及对木材美学的长远发展进行了初步系统规划。吕九芳、吴智慧[7]从木材的天然纹理中提取精致的美学图案，再将它们按照一定的规律，应用电脑合成技术打散、重组，设计出各种富有韵律和装饰性的木材美学图案。徐丽等[6]从形式美学角度探讨了木材宏、微观构造的形式，并将其应用于设计中。梁敏[7]根据图案形式美法则，系统地对木材导管、木纤维、轴向薄壁组织等主要木材组织构造进行美学原理分析，认识和揭示木材解剖构造特征之美。廖晓梅[8-9]从木材横切面细胞构造特征中提炼出美学元素，运用重构等方法将得到的美学图案运用于室内设计中。何拓等[10]探索了红酸枝木显微构造中的管孔、轴向薄壁组织及木射线美学元素，并将它们应用于地板、服装及陶瓷设计。

木材由于自身的自然属性，其纹理、颜色以及质地富有天然的美感和质感，备受人们的青睐，符合人们崇尚自然的审美需求。从木建筑到木家具，木与人类生活息息相关。木材构造形成随机的、自相似性的图案具有1/f型涨落谱的特征，武者利光曾对各种条纹图案进行心理比较测验，发现具有1/f型涨落的条纹图案自然感越强[11]。赵广杰[12]研究出人们喜爱木材纹理构造的根本原因就是其纹理的涨落谱和人体生理节奏的涨落谱存在形式的一致性。龙涛[13]基于1/f涨落的木材构造研究木材美学，发现木材构造图案的功率谱密度与频率成线性关系，即1/f涨落关系，能激发人体大脑产生令人愉悦的α节律波。由于木材构造图案具有1/f型涨落谱的特征，给人们带来舒适[14]的视觉和触觉感受，它是人们最愿意亲近、最富有人情味的材料[15]。

■图1　12种木材弦切面宏观构造图案

■图2　12种木材横切面微观构造图案

虽然国内不少学者对木材表面纹理、色泽、微观构造组织进行了探讨，但是对木材构造美学元素的整体特征研究较少。本研究从宏观纹理、微观构造图案角度出发，提取木材构造特征元素，系统分析其美学形式，并将其作为设计材料，结合木材的视觉、触觉等知觉美感特征，对其进行艺术处理，运用到仿生产品设计中，重塑木材的美学价值和提升仿生产品的附加值，吻合了人们亲近自然的本性。

2　实验材料与方法

2.1　实验材料

实验材料由南京林业大学材料科学与工程学院木材科学系标本实验室提供。针叶材分别为樟子松、北美黄杉和杉木。阔叶材分别选取环孔材白榆、蒙古栎、水曲柳和大叶榉；半环孔材香樟、柚木；散孔材紫椴、亮叶桦和巴里黄檀。它们均为室内装饰的常用木材，具有代表性，因此选取这12种常用室内装饰木材作为测量试样。其中，编号1—3的试样属于针叶材：1—樟子松、2—北美黄杉、3—杉木；编号4—13的试样属于阔叶材：4—香樟、5—柚木、6—紫椴、7—白榆、8—蒙古栎、9—水曲柳、10—亮叶桦、11—巴里黄檀、12—大叶榉（图1～图4）。试样木块尺寸为120×70×12mm3（L×W×H),经长期室温条件下气干后，将被测面径精刨加工平整，然后在温度20℃、空气相对湿度为65%的环境中，将含水率调整到12%。图1为室内装饰木材弦切面宏观和三切面微观构造图案共48张。木材切片分别放入扫描仪(EPSON 1270，Japan)中,扫描后,经过Photoshop软件对图片进行处理，从而得到12种木材弦切面的宏观图片。木材三切面的微观图片是运用光学显微镜（OLYMPUS DP70，Japan）在40倍放大率下采集的，为了消除颜色对木材图像感性意象的影响，对其进行灰度处理。图片大小尺寸相等，宽度和高度为768像素×1240像素，分辨率为300dpi，位深度为24位，转换成标准位图格式的BMP格式图像。

2.2　实验仪器

本实验采用扫描仪(EPSON 1270，Japan）和光学显微镜（OLYMPUS DP70，Japan），对实验试样进行样本采集。

2.3　实验方法

将图1的48张木材宏观和微观构造图案制作成PPT形式，逐张呈现并应用形式美法则进行分析。

3　结果与分析

3.1　木材弦切面宏观构造图案的美学法则分析

虽然木材细胞具有各向异性和变异性，但是木材的细胞结构特征是相近似的。木材微观细胞组织构造决定宏观构造图案，即木材纹理。木材的不同切面呈现不同的纹理图案，横切面上呈现同心圆状花纹，径切面上呈现平行的条形带状花纹，弦切面上呈现抛物线状花纹[16]。由图1可见，大多数针、阔叶材树种弦切面的宏观构造图案呈现山峰状花纹（1樟子松、2北美黄杉、3杉木、4香樟、5柚木、6紫椴、7白榆、8蒙古栎、9水曲柳、10亮叶桦、12大叶榉）和波浪花纹（11巴里黄檀）。山峰状花纹和波浪花纹在弦切面上呈现出有条理的反复和交替排列，使人在视觉上感受到动态的连续性，产生节奏感。节奏是韵律形式的纯化，韵律是节奏形式的深化，节奏富于理性，而韵律富于感性。木材山峰状花纹的韵律感不是简单的重复，而是一定变化的互相交替，是情感在节奏中的融合，因此在木材弦切面上产生不寻常的美感。例如针叶材[17]早材至晚材缓变，早材管胞呈现不规则多边形，晚材管胞多为长方形及多边形。轴向薄壁组织呈现星散状及弦向带状。弦切面上多为木射线单列（偶对列），高2-22（多6-12）细胞，因此，弦切面呈现相对均匀的山峰状纹理，体现了节奏与韵律的形式美感。

3.2　木材横切面微观构造图案的美学法则分析

针叶树主要由管胞组成，其占木材总体积的89—98%，木射线占1.5-7%，轴向薄壁细胞0-4.8%，泌脂细胞0-1.5%[18]。由图1-b可见，针叶材（1樟子松、2北美黄杉、3杉木）的横切面早晚材管胞呈矩形，沿径向整齐排列，构造图案简洁，体现单纯与秩序[19]的形式法则，使人产生一种简约、纯洁的感受。例如樟子松[20]横切面早材管胞方形、矩形，晚材管胞也是矩形，形状趋于一致。

阔叶材主要由木纤维、导管分子、木射线和轴向薄壁管胞组成。由图2可见，木材构造特征为环孔材（7白榆、8蒙古栎、9水曲柳、12大叶榉）的横切面细胞构造图案比针叶材复杂。在同一生长轮内，管孔的形状、疏密相近似，多为单个或2-3个排列分布。由于管孔与木纤维细胞形状相近似，形成调和的视觉美感，横切面上管孔的直径又远大于木纤维的孔径，形成大小对比的效果，两者在横切面上呈现对比与调和的形式美感。例如水曲柳横切面上多是单管孔或2个径列复管孔。木材构造特征为散孔材至半环孔材（4香樟、5柚木）、散孔材（6紫椴、10亮叶桦和11巴里黄檀）的横切面细胞构造图案比环孔材树种的图案更有秩序感。由于散孔材的导管形状、大小相似，相对均匀地分布在横切面上，体现单纯与秩序的形式美感。同时，导管与木纤维的孔径大小形成对比，前者孔形近似于不规则的圆形，后者孔形为多角形，两者近似产生对比与调和的视觉感受。例如紫椴横切面上多为单管孔及2-3个径列复管孔。导管分子、轴向薄壁组织、木纤维及木射线均局部叠生。轴向薄壁组织呈星散-聚合状，轮界状薄壁组织带宽1-2个细胞。

■图3　12种木材径切面微观构造图案

■图4　12种木材弦切面微观构造图案

3.3　木材径切面微观构造图案的美学法则分析

根据图3可见，针叶材（1樟子松、2北美黄杉、3杉木）径切面主要是管胞分子和木射线细胞组织。在径切面上，管胞分子呈现平行状排列分布，单纯具有秩序感。木射线中的射线薄壁细胞呈现横卧长方体，射线管胞为横向生长的管胞，形体短而宽，长菱形，长度仅为轴向管胞的三十分之一，一层层叠加组织，兼具秩序感。射线薄壁细胞与轴向管胞交叉形成交叉场纹孔，在径切面上产生了变化的形式，与整体管胞分子平行条状排列的统一形式相呼应，组成变化与统一的形式感。例如樟子松径切面上具有轴向管胞具缘纹孔和交叉场纹孔窗格状，与管胞分子的平行条状排列形成多样与统一的效果。

根据图3可见，阔叶材（4香樟、5柚木、6紫椴、7白榆、8蒙古栎、9水曲柳、10亮叶桦、11巴里黄檀、12大叶榉）径切面主要是导管、木纤维、木射线和轴向细胞构成。在径切面上，导管分子呈现宽平行条状排列分布，木纤维细胞呈现窄平行条串状的排列分布，两者之间相互依次间隔，产生对称与均衡的视觉美感，达到径切面整体的稳定、庄严的心理感觉。例如紫椴径切面导管与木纤维细胞交替呈现。

3.4　木材弦切面微观构造图案的美学法则分析

根据图4可见，针叶材（1樟子松、2北美黄杉、3杉木）弦切面主要是管胞分子和木射线细胞组织。在弦切面上，管胞分子还是呈现平行条状排列分布，单纯兼具秩序感。木射线多为单列宽度仅1个（偶尔2个）细胞的木射线，有的具有纺锤形含1个（偶尔2个）径向树脂道的木射线。木射线在弦切面上的不规则分布，与管胞分子的平行条状排列，产生变化与统一的视觉效果。例如樟子松弦切面木射线具单列和纺锤形两类，单列射线高2-17个细胞，纺锤射线具径向树脂道，树脂道上下方射线细胞2-3列，两端尖削而成单列，高1-10个细胞。木射线的不规则分布与管胞分子平行条状排列，形成变化与统一的图案。

根据图4可见，阔叶材（4香樟、5柚木、6紫椴、7白榆、8蒙古栎、9水曲柳、10亮叶桦、11巴里黄檀、12大叶榉）弦切面主要是导管、木纤维、木射线和轴向细胞构成。在弦切面上，导管分子也呈现宽平行条状排列分布，木纤维细胞呈现窄平行条串状的排列分布。不同宽度、排列和组成的射线分布在阔叶材弦切面上产生变化的视觉感受，与导管、木纤维细胞构成的平行条状排列分布形成变化与统一的视觉美感，产生灵动、和谐的心理感受。例如紫椴弦切面上单列射线较少，多列射线宽3-4个细胞，高20-60个细胞，射线组织同形单列或多列。木射线与导管分子都是不规则的平行条状排列，形状相似，一深一浅，形成变化与统一的视觉效果。

4　木材构造图案特征的包装仿生设计

应用Photoshop图形设计软件，对木材构造图案进行设计。由于木材来源于大自然，在进行设计时尽量保留了木材自然的本性，使其再生图案更贴近人们的生活，具有生命力。

北美黄杉弦切面的宏观纹理具有山峰状花纹（图5），在设计中尽量保持木材纹理的原貌。将原图（a）进行色彩处理得到图案（b），提升原木纹理的逼真度，再经过滤镜选项应用变化与统一的形式美法则，应用到咖啡包装盒的设计（c）中，使木材自然的肌理得到完美呈现，给消费者带来木材纹理、色彩的视觉美感享受。

（图6）白榆横切面管胞早材管孔比晚材管孔大，年轮界限明显，属于环孔材。应用管孔的特征，将原图（a）经过滤镜晶格化处理得到图案（b），再通过放大处理得到图案（c），根据形状相似而色彩不同，即变化与统一的美学原则贴图到JELLY品牌果冻的包装袋（d）设计中，形象地烘托了产品的品牌形象。

紫椴径切面导管分子单穿孔，木射线与导管间纹孔大，多呈现椭圆形与栅状（图7）。应用导管分子和管间纹孔互列的特征，将原图（a）经过滤镜风格化选项，同时放大处理得到图案（b），根据形状相似的变化与统一的美学原则贴图到美肤语品牌化妆品的包装盒（d）设计中，给产品注入了新的活力。

（图8）白榆弦切面木射线具有单列、二列、多列和宽木射线4种类型。应用木射线的特征，将原图（a）经过滤镜像素化马赛克处理得到图案（b），再通过去色、放大处理得到图案（c），将这种肌理应用到SPAGHETTI品牌的意大利细面的包装设计（d、e）中，增强了产品包装的肌理感。

木材的管胞、导管、木纤维等细胞都是构成木材构造图案的主要元素，由于木材构造图案具有1/f型涨落谱的特征，给人们带来舒适的触觉和视觉感受，它是人们最愿意亲近、最富有人情味的材料。中国的文化就是“木的文化”，中国的古建筑殿、堂、楼、馆、亭、榭、阁、轩、斋、寺等都是由木材构建而成，形成了独特的东方风韵。Tohid[21-22]认为木雕艺术的复杂图案表达了人们的民族特色、道德和伦理价值。将木材构造形成的宏、微观构造图案作为设计元素，利用各自图案的细胞构造特征，针对不同产品的特性，有的放矢地进行包装仿生设计，不仅扩宽木材构造图案美学的研究价值，还为仿生设计提供新的思路和商品附加值。同时，木材构造图案还可以应用到建筑、室内[23]及家具装饰材料的肌理、纹样图案的设计，工业产品的功能设计，以及服装、平面的图案设计中。将木材构造图案融于艺术与情感，不断唤起人们对木制品以及其商品的亲近感[24]。

5　结语

运用扫描软件采集木材弦切面宏观构造图案，探讨木材由于生长轮界线的早、晚材缓变至急变产生纹理的形式美学规律；采用光学显微镜表征木材三切面微观的构造图案，分别分析不同细胞构造特征的形式美规律。同时，将其美学特征进行包装仿生设计研究。

①由于生长轮界线早、晚材的缓变至急变，针、阔叶材的弦切面宏观构造呈现相对均匀的山峰状花纹，体现节奏与韵律的形式美感。

②由于针叶材横切面上早、晚材管胞形状趋于一致且呈秩序性分布，微观图案呈现单纯与秩序的形式美感。由于阔叶材横切面上环孔材、散孔材的管孔与木纤维细胞形状相近似，且管孔的直径又远大于木纤维的孔径，形成对比与调和的视觉美感。

③由于针叶材径切面上轴向管胞具缘纹孔和交叉场纹孔，它们与管胞分子平行条状排列的统一形式，组成变化与统一的形式美感。由于阔叶材导管分子与木纤维细胞在径切面上都呈平行条状排列，且交替呈现，产生对称与均衡的视觉美感，达到径切面微观整体的稳定、庄严的心理感觉。

④由于针叶材弦切面上木射线不规则分布，与导管分子的平行条状排列形成对比，产生变化与统一的视觉效果。由于阔叶材弦切面微观上木射线与导管分子都是不规则的平行条状排列，形状相似，一深一浅，也产生变化与统一的视觉效果。

⑤木材构造图案具有随机的、自相似性的1/f涨落特征，根据宏、微观三切面细胞构造的这一特征，展开各种再创作和设计的新思路，丰富传统的木文化以及美学内涵。针对木材宏、微观各切面细胞构造的自然属性，结合包装产品的特点，进行产品的艺术创作，拓展木材美学图案的应用，提升产品的附加值。